Aplicaciones del carburo de silicio

El carburo de silicio es un material extremadamente útil con aplicaciones en numerosas industrias. Aunque se encuentra de forma natural en depósitos minerales de moissanita, la mayor parte de la producción actual de carburo de silicio (SC) se realiza sintéticamente.

Con su alta tensión de rotura y su baja resistencia al encendido, las obleas de silicio son excelentes componentes para dispositivos semiconductores. Además, su resistencia a la corrosión garantiza que pueda soportar altas temperaturas, así como problemas relacionados con la corrosión.

Herramientas abrasivas

El carburo de silicio (comúnmente conocido como "carborundo") es un material cerámico duradero con propiedades excepcionales de resistencia a altas temperaturas y dilatación térmica. Como tal, se utiliza ampliamente para aplicaciones de chorreado abrasivo en las que se necesitan medios duraderos para eliminar óxido o preparar productos para pintar o eliminar acabados antiguos de las superficies. Se suele formar un grano angular antes de calentarlo a 1200-1400 ºF para unirlo a productos abrasivos sueltos o sólidos.

Los abrasivos de carburo de silicio se producen mediante un proceso conocido como reducción carbotérmica. Para ello, una mezcla de arena de sílice pura, coque y sal se calienta en un horno de resistencia eléctrica hasta que su materia carbonosa actúa como un electrodo y se une químicamente a las moléculas de sílice para formar granalla de carborundo. Una vez finalizado el calentamiento, este grano verde se tritura aún más antes de que la clasificación granulométrica garantice que los productos fabricados satisfacen las necesidades específicas de la industria y de los clientes.

El carburo de silicio destaca entre los demás materiales abrasivos por su extrema dureza, 9 en la escala de Mohs (sólo superado por el diamante y el carburo de boro). Debido a esta dureza excepcional, el carburo de silicio es un material ideal para cortar o esmerilar materiales duros y quebradizos con la mínima fuerza necesaria.

Además de su uso en aplicaciones de granallado, los abrasivos de carburo de silicio son una opción ideal para el lijado y esmerilado de metales, piedra, vidrio, corcho, madera y plásticos. Aunque son menos resistentes que sus homólogos de óxido de aluminio, sus granos abrasivos afilados como cuchillas permiten que las aplicaciones de presión ligera corten estos materiales con facilidad. El carburo de silicio también puede encontrarse en muelas abrasivas, papel de lija, muelas vitrificadas y resinoides, así como en boquillas de chorro de arena.

Herramientas de corte

El carburo de silicio se utiliza ampliamente como material abrasivo en muelas, herramientas de corte, papel de lija y procesos de producción de cerámica. La cerámica también hace un gran uso de este material extremadamente duro, ya que su dureza permite mecanizarlo o tallarlo con diversas herramientas para obtener formas o acabados específicos. Debido a su rentabilidad y resistencia al desgaste, se ha convertido en un material atractivo para crear materiales abrasivos de larga duración, como las muelas.

El carburo de silicio se utiliza habitualmente para fabricar herramientas de taladrado y mecanizado, incluidas brocas macizas y brocas de plaquita intercambiable, para cortar metales como aceros y aleaciones de aluminio, así como materiales de alta temperatura como el titanio o las aleaciones de níquel. Gracias a su dureza, estos materiales rara vez dañan estas herramientas, incluso durante operaciones de mecanizado a alta velocidad.

El carburo de silicio tiene un punto de fusión y una conductividad térmica elevados, por lo que es muy resistente a la abrasión, la corrosión y otros procesos químicos asociados al mecanizado. Por ello, su resistencia le permite cortar una amplia gama de materiales, desde metales y materiales compuestos hasta cerámica.

La alúmina endurecida con circonio y la alúmina reforzada con cromo son ejemplos de materiales cerámicos que han demostrado ser superiores al carburo de tungsteno para su uso en herramientas de corte para materiales duros y quebradizos debido a su mayor dureza, resistencia a la compresión, inercia química a temperaturas elevadas, así como a su mayor conductividad térmica que permite una disipación del calor más rápida, disminuyendo así las posibilidades de daños térmicos en las piezas de trabajo y proporcionando una mayor vida útil de las herramientas [3]. [4,5]

Materiales resistentes al calor

El carburo de silicio es un material versátil que se utiliza para aplicaciones que van desde los abrasivos y los refractarios hasta la cerámica y las aplicaciones de alto rendimiento. Los compuestos de matriz cerámica formados por piezas metálicas y poliméricas reforzadas con carburo de silicio pueden aumentar el rendimiento al tiempo que ofrecen resistencia al calor; las aleaciones de aluminio reforzadas con cerámica ofrecen el doble de resistencia y 20% más resistencia al calor en comparación con las aleaciones de aluminio puro, al tiempo que son dos tercios más ligeras.

El SiC es un material extremadamente duro y químicamente resistente. Presenta una excelente conductividad térmica, buena resistencia a la abrasión y propiedades de conductividad térmica; sólo el diamante y el carburo de boro pueden compararse en términos de dureza. Al reunir estas características, el SiC es un material ideal para fabricar productos abrasivos cerámicos como muelas y herramientas de corte; además, se utiliza a menudo en refractarios y cerámicas por su combinación de resistencia térmica (alta resistencia al calor) y durabilidad mecánica (resistencia a la abrasión).

Las propiedades únicas del carburo de silicio lo convierten en un material atractivo para la fabricación de dispositivos de potencia de alta velocidad, entre las que destacan su elevado campo crítico de ruptura de avalancha y su amplia separación de banda, que permiten suministrar más potencia con menos dispositivos conectados en serie, reduciendo así los costes y la complejidad del sistema, mientras que su baja resistencia de estado limita las pérdidas de conversión y aumenta la fiabilidad del dispositivo.

El SiC se distingue por la combinación de átomos de silicio y carbono en su estructura, lo que le confiere unas propiedades eléctricas y térmicas únicas. Es inerte a los ácidos y álcalis, así como a las altas temperaturas, y los métodos de fabricación incluyen la unión por reacción, así como procesos cerámicos convencionales como el prensado en caliente y la sinterización sin presión. Se le pueden dar formas y tamaños según el uso previsto; su proceso de sinterización es relativamente sencillo y produce cuerpos sinterizados con propiedades mecánicas de alta densidad cuya microestructura final se puede controlar mediante la elección del auxiliar de sinterización, la adición de aglutinante y las condiciones de prensado y sinterización.

Materiales resistentes al desgaste

El carburo de silicio es un material extremadamente duro con excelente resistencia a la abrasión y resistencia mecánica, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones en un amplio espectro de temperaturas. Además, su gran resistencia a la compresión le confiere durabilidad frente a las tensiones mecánicas que puedan producirse con el paso del tiempo, lo que lo convierte en el material ideal para usos industriales en los que puedan producirse cargas pesadas o velocidades rápidas.

El carburo de silicio (SiC) es uno de los materiales cerámicos más ligeros y duros. Su estructura cristalina en capas se compone de átomos de silicio y carbono unidos entre sí mediante una configuración de enlaces tetraédricos para formar varios politípos con diferentes propiedades; la forma alfa (a-SiC), con su estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita, se encuentra habitualmente en aplicaciones industriales; mientras que la forma beta (estructura cristalina zn blenda) es más infrecuente.

El carburo de silicio ofrece una resistencia al desgaste superior a la de los tipos de acero; sin embargo, la resistencia al desgaste por impacto del carburo de silicio aglomerado con nitruro es mucho menor, lo que limita su uso generalizado como piezas de trabajo del suelo.

El material compuesto de carburo de silicio aglomerado por reacción (RBSC) está diseñado para aplicaciones que exigen una excepcional resistencia al desgaste, excelentes propiedades refractarias, estabilidad química y una gran relación resistencia-peso. El RBSC puede adoptar formas complejas con una excelente relación resistencia-peso, al tiempo que es resistente a la oxidación y a la temperatura, lo que lo hace ideal para rectificar y cortar materiales refractarios. Suele emplearse en rectificadoras utilizadas para esta tarea.

Materiales para altas temperaturas

El carburo de silicio se ha convertido por este motivo en una de las opciones preferidas en la minería, el refino de petróleo y las instalaciones de bombeo.

Gracias a su gran estabilidad térmica, el material cerámico ofrece una resistencia e integridad excepcionales incluso a altas temperaturas. Además, su resistencia a la corrosión y a los ataques químicos lo convierte en una opción excelente para su uso en entornos que requieren altos niveles de pureza, como la fabricación de semiconductores.

Las propiedades del carburo de silicio como cerámica técnica vienen determinadas por su estructura cristalina; los politípos pueden presentar propiedades distintas debido a diferencias en el bandgap. El bandgap determina la forma en que la luz puede ser absorbida o emitida por los materiales; los materiales con bandgaps anchos tienden a tener tasas de transmisión más altas, mientras que los que tienen bandgaps más estrechos suelen experimentar tasas de transmisión reducidas.

La conductividad térmica del carburo de silicio, de hasta 4,9 vatios por metro cuadrado Kelvin, es una de sus características clave para muchas aplicaciones, ya que permite al material soportar entornos de altas temperaturas con facilidad. Esta característica es especialmente importante cuando se utiliza como material refractario o en piezas resistentes al desgaste en las que es crucial una elevada estabilidad térmica.

La mayor resistencia al voltaje del carburo de silicio en comparación con el silicio lo convierte en una opción de material atractiva para componentes eléctricos de alto voltaje, como semiconductores y sensores de presión, donde podrían producirse grietas a voltajes más altos; su resistencia supera los sistemas de 1000 V en 10 veces más en comparación con el silicio y el nitruro de galio respectivamente.